[科普中国]-微小光学

发展历史

从半个世纪前微电子技术问世以来，人们不断追求尺度越来越小、功能越来越完善的微结构装置。微小光学(microoptics)一词是日本电气公司内田侦二教授在1981年提出来的。它主要是指用微透镜及列阵，基于光的衍射原理而制作的二元光学元件、菲涅耳透镜和光栅结构。微小光学是光学和微电子、微机械互相融合、渗透和交叉而形成的前沿学科。它与微电子和微机械一起统称为微工程。微小光学器件在实现光束的发射、聚焦、传输、成像、分光、图像处理和光计算诸方面的系列功能，是近代高科技发展的重要支柱。这些微小光学元件只是微米或亚微米尺寸，重量仅在微克量级。

目前世界上已制成的最小透镜是用塑料、磷化铟、磷化镓或玻璃等材料做成的半球型微透镜，它的直径可小到4微米。它是用离子束辐照、镀层和光刻等工艺制成的。微小光学元件排列起来，就构成光学元件列阵。其中通常称为CCD的线阵(一维列阵)探测器，是在1厘米左右尺寸上制作了多达1024个探测器的集成光学元件；也可排列成面阵(二维列阵)探测器。与此相应，已把带白聚焦透镜的半导体激光器精巧地排列起来，制成线阵或面阵激光源。在这基础上，80年代国际上出现三维集成光学器件。其中有一种方案是在一种材料基片上只制作一种功能的光学元件面阵，然后把不同功能的基片纵向叠合起来，从而实现多功能集成。

自本世纪80年代起的10年时间内，微小光学技术得到迅速发展。现已成功地把连接器、分波器、波分复用器、隔离器、光开关等各种功能器件集成在同一小片上，制成元源列阵器件。把激光器、探测器、放大器、开关、存储器等各种功能器件集成一块，制成有源列阵器件。可以预期，这类器件将得到进一步发展，并将对未来光纤通信的发展和信息高速公路的实现产生深远影响。
人们通常把几种光学和电子学的功能结合在同一器件里，称为集成光学，它的实现一直是工程师们的夙愿，一些基本的元件已经在实验室里制成，这些器件可以把射人一个或多个通道中的光信息转换到另一个或多个不同的出射光通道里。这种转换阵列能够对光束中的信号进行读入、读出、监控或处理。这样的光电子器件可以做到极高速的调制(109Hz以上)和处理，并且可以在数字信息和光讯号之间进行宽带的转换。

事实上，只有高度集成化的密集信息通道才允许充分发挥信息并行处理的特点，因而微小光学集成技术才是发展光计算的基础。进入90年代以来，国内外科学工作者已在矩阵一向量乘法、光学互联及图像识别等应用基础和技术研究中取得丰硕成果。有人用直径仅1.05毫米、焦距为2.6毫米的自聚焦微透镜列阵，制成多通道匹配特征提取滤波器，研制成光学神经网络图像识别系统。1991年还为实现精密装配、密集安装、耐用性好、信息容量大的光互连，研制了串联排列自聚焦微透镜列阵的光学网络系统。目前国际上微小光学及其集成技术的进展，已为光计算的发展创造了现实可能性。

值得指出的是，微小光学集成技术与激光的关系，绝不限于有源列阵光集成器件中包含了激光器。事实上，所有在绝缘体上生长极薄单晶硅膜(SOI)技术都跟激光技术分不开。SOl技术在80年代后期得到突破性发展，它在硅集成电路工艺中有无容置疑的地位。激光再结晶技术是研制三维集成电路的主要手段。首次激光再结晶实验(包括引晶、盖帽层、硅膜图形的形成等工艺)已使S01技术制成能在几千兆赫的频率下工作并能经受高温的CMOS电路。激光在微电子和微光学技术中的成功应用是由激光的特性决定的。

20世纪后半期，尤其是最近30年中，光学是以学科结合点(光学与微电子技术、材料、计算机技术等)作为生长点的。反过来，光学领域的最新成就又成为高新技术的重要支撑。事实上，除上述光计算机需要功能完善的微小尺度结构装置外，在生物、环境控制、医学、航空航天、精密制导、灵巧武器、先进情报传感器、数字通信等领域也在小型化方向上提出更高要求。最近科学家们正在考虑把微小光学和微电子、微机械(尺寸在1微米到1毫米范围内的机械装置)结合起来，叫做三微技术。现正在构思和努力研究由此做成微小机器人。此外，美国还在研究用纳米材料设计跨世纪的微型卫星。这种卫星将要执行的各种侦察任务，受到本世纪开创的光学技术的支撑。2

微小光学元器件微型化、集成化、阵列化是微小光学元器件的一个显著特点，也是变折射率透镜的发展方向。

光在各个领域的应用正是利用了光的自身特征。构筑光学系统需要各种各样的光学器件，包括采用最先进技术的系统到最简易的系统装置。

如果粗略分类，微小光学器件分为光纤器件和各种元件集成在一块基板上的集成光学器件。光纤器件又可分为容积形、薄膜插入形、纤维形等。下面就讲述各种器件的特征及其优缺点。

集成光学器件集成光学器件是在基板上集成了与波导相连的光源、调制器、分波器、开关等许多元件。集成器件将多种功能的光学元件小型化，具有性能稳定的优点，适于大批量生产等特点。但是，由于多数情况下适合于光源、调制器的能动元件和分波器、波导等被动元件的材料并不相同，所以，材料的选择和制作工艺是今后亟待解决的课题。此外，降低光纤损耗、稳定连接技术也是关键问题。

容积型光学器件光从光纤外部射出变为平行光后，经过容积型微小光学元件的处理，再次进入光纤。由于容积型器件是由棱镜、偏振因子、滤光器、衍射栅格等组合而成的，所以光纤之间位置很难对正，稳定性较差，损耗也增大。随后出现的光学器件去掉了一部分元件，变换为纤维型、薄膜插入型、集成型等结构形式。

薄膜插入型光学器件解决了容积型器件的缺点，它是纤芯扩大的光纤和薄膜光学元件的组合。通过热扩散方式使光纤的纤芯直径局部扩大，提高了光束的准直性(相当于棱镜的作用)，经过薄膜状的光学元件处理后，光束再次进入粗心光纤。该结构具有位置容易对正、光纤损耗小等优点，不过，薄膜光学元件的开发是今后尚需解决的课题。3

微光学阵列微光学阵列指用微小光学的阵列排列方法来形成的具有一种全新功能的光学元件。这对发展光电阵列光学是一个全新的领域，如微透镜阵列、微棱镜阵列、光开关阵列等。微光学阵列已用于光扫描、半导体激光阵列光束合成、红外焦平面阵列以及光信息处理、光通信等领域。

微透镜分为折射型和衍射型，在提高传感器成像质量上都有应用。折射型微透镜具有设计和工艺简单的特点，但是采用光刻胶热熔工艺的微透镜焦距和表面形貌都较难控制，获得的相对孔径在F/1～F/10之间，过高或过低相对孔径的微透镜却较难实现。4